ABB变频器IPC 技术在并行泵控制中的应用

1 概述

总的说来，运用变频器对水泵进行控制是最有效的节能方式。在ABB 变频器的水泵控制应用中，通常会采用PFC 应用宏、SPFC 应用宏，这两种控制都是一台变频器拖动多台水泵的应用。

本文将要介绍的IPC(Intelligent Pump Control)，即智能泵控制技术，是一个可选软件包，用于ABB工业传动ACS800的水泵控制，它要求每台水泵都由一台变频器来拖动，功率范围从0.55~5 600 kW。如图1所示，3台变频器拖动3台并行水泵，变频器之间采用光纤连接或光纤分配器连接。这一配置消除了对外部PLC 的需求，并且有助于节能，可缩短检修时间，防止水泵堵转和堵塞。该软件由ABB开发，易于使用，满足了水行业及泵用户的需要。

1.1 泵的特性与节能原理

泵类负载是目前工业现场中应用最多的设备，虽然泵的特性多种多样，但是主要以离心泵为主。下面的特性分析也主要以分析离心泵的特性为主。利用通用变频器对泵进行控制，主要通过对其流量的控制而实现有效地节能，这是通用变频器最广泛的一种应用。

泵是一种平方转炬负载，其转速n与流量q、扬程h及泵的轴功率N的关系为

上述公式，泵的流量与其转速成正比，泵的扬程与其转速的平方成正比，泵的轴功率与其转速的立方成正比。当电动机驱动泵时，电动机的轴功率P(kW)方式为

泵的流量q 与扬程h 的关系曲线如图2 所示。

图中，曲线①为泵在转速n1下扬程-流量(h-q)的特性;曲线⑤为泵在转速n2下的(h-q)特性;曲线②为泵在转速n1下的功率(P-q)特性;曲线③、④为管阻

特性。假设泵在标准点A 点效率最高，输出流量q 为100%, 此时轴功率P1与q1、h1的乘积面积Ah1Oq1成正比。根据生产工艺的要求，当流量从q1减小到q2时，如果采用调节阀门方法(相当于增加管网的阻力)，使管阻特性从曲线③变到曲线④，系统由原来的标准工作点A 变到新的工作点B 运行。此时，泵扬程增加，轴功率P2 与面积Bh2Oq2成正比。如果采用变频器控制方式，泵转速由n1 降到n2 ，在满足同样流量q2的情况下，泵扬程h3 大幅降低，轴功率P3 与面积Ch3Oq2成正比。轴功率P3和P1、P2相比较，显著减小，节省的功率损耗ΔP与面积Bh2h3C成正比，节能的效果是十分明显的。这也就说明了变频器在泵控制中的节能作用。

1.2 泵、电机、变频器的效率

恒压供水系统的总体效率是由多种因素所决定的。通常，泵、电机和变频器的功率越大，系统的效率就越高，当系统在低速下运行时，系统总的效率也会降低。在水泵的正常运行频率35~50 Hz 之间, 系统总体效率变化不大。变频器和电机系统在额定运行点的效率大约为90%，而在35 Hz时的效率大约为83%。但是水泵的效率大约在50%~85%之间变化，总的说来，泵的效率取决于泵的运行速度和系统曲线。

1.3 IPC 技术的节能原理

如果系统在某一速度区间运行时，效率保持不变，而能量节省了很多，将这时的速度定义为效率速度。因为运行速度太高，节能太少;运行速度太低，一方面效率会降低，另一方面水流量会降低。根据公式(1)，当驱动水泵运行的变频器输出频率从50 Hz 降到45 Hz ，流量大约下降10%，因此完成同样流量所花费的时间会长于11%，但是所需要的功率仅仅为原始功率的73% ，我们认为水泵运行在效率速度(在本例中45 Hz 就是效率速度)下会创造大约19%

的能量节省，因此节省的电能大约为19%[1-(0.73×(1+11%)]。显而易见，尽管总的效率还维持在相同区域，但是所需要的能量却降低了许多。但是按照原

始控制方法，仅当需要负荷时，使用额定速度运行，而采用IPC技术后，则长期运行也能实现10%以上的能量节约。并且实际中绝大多数的系统是并行泵

系统，如果采用传统的PFC(一台变频器拖动多台水泵)，一台变频，其余都是工频运行，那么肯定达不到采用IPC技术后的节能效果。这也正是IPC技术节能的原理所在。

水泵的流量与扬程和轴功率的关系如图3 所示。可以清楚看出系统运行效率，功率，转速，流量，扬程之间的对应关系。从工作点A 点到B点，流量下降大约40%，而功率却下降了大约60%。因此对于多泵系统运行在效率速度下是非常有意义的。

1.4 生命周期成本

产品如果紧紧依靠价格来竞争，生存是很困难的。如果考虑LCC(Life Cycle Cost，生命周期成本)，那么就会给客户带来巨大的经济效益。从水泵、电机和变频器的生命周期成本看，这些成本分成三部分：初始成本，电费和维护成本，其饼图如图4 所示。从饼图可以看出，初始投资成本最小，日常消耗的电费占的成本最大，所以我们应该从日常运行的电费上下功夫节能。IPC 正是从日常运行的节能实现整个系统的节能运行。因此，采用IPC 技术，相比较其他的方法，能节省20%以上的能量。

2 IPC的软件方案

下面介绍IPC技术最有特点的两个控制模式。

2.1 多泵控制模式

2.1.1 多泵主从方式

如图5所示，可以实现一主多从泵的运行方式。

在这种工作模式下，当负载增加时，主机输出频率增加，当达到全速时，其他变频器根据设置的先后顺序依次启动，并且按照预先设置的速度运行，比如泵的优化运行点。

2.1.2 多泵同步控制

如图6所示，可以实现多泵的同步运行。在这种工作模式下，所有变频器都将跟随主机的给定，并且启动和上升时间都是同步的。

2.1.3 多泵给定同步控制

如图7所示，可以实现多泵的给定同步运行。在这种工作模式下，所有变频器都将跟随主机的给定，但是从机的启动时间可以预先设定。

2.2 水位控制模式

水位控制通常用于控制水箱的充水或排水。水位控制用于单泵，也可用于2~3个并联泵。水位控制一个特殊的软件特性就是通过随意改变用户预设的水平面高度，而防止沉淀物附着在水箱的内壁上，同时快速启动冲刷效应而使管道清洁，并且使水泵运行在效率曲线的合适点，从而降低能量消耗。

水位控制模式的控制逻辑如图8所示。关键问题是要尽可能使泵运行在效率速度下(例如45 Hz)。

如果水位变化，需要更大流量，那么就需要投切更多的泵保持在效率速度下运行。本例中有3台泵。启动水位和效率速度对所有用户都是可调的，从而满足系统的特殊需要。当所有水泵都运行在效率速度下时，水箱水位达到高位1(参数可调)。

采用水位控制模式控制水箱的充水或排水，根据计算，能节省大约20%的能量。

3 其他优越性

3.1 多泵冗余

对于传统的PFC(一台变频器拖动多台水泵)的运行模式，如果变频器故障，就会影响整个系统的正常运行。而IPC技术拥有多泵冗余特点，因此它能设定故障运行和降低检修时间，链接控制并联变频器。

故障的变频器在500 ms 内就能切除，而其他部分不受影响继续工作。在冗余系统中，如果一台变频器故障，仅会影响系统的整体性能，并不会造成系统停机;并且冗余接线支持传感器信号的丢失。因此100%的系统冗余就保证了高使用率和系统的无风险运行。

3.2 反堵塞功能

反堵塞功能能使变频器完成对水泵的预防性维护，并在堵塞时清洗泵。反堵塞示意图如图9所示。

触发参数由用户定义，可以有三种不同的触发条件：

1)如果电流超过设定极限就启动反转;

2)定时反转;

3)通过DI信号启动反转。

3.3 水泵的优先控制

水泵的优先控制功能均衡了泵的运行时间，有助于改善系统的保养计划，从而提高水泵的运行效率接近最高效率点。

3.4 流量计算

如图(10)所示，通过测量水泵输入侧和输出侧的水压，或仅仅根据变频器的运行数据，就可以计算出流量。这种计算是基于泵特性曲线h-q 和P-q，以及泵输入输出直径，还有压力传感器的高度差而得到的。所以将传动作为一个流量计，从而取代了在流量数据不作为计价目的的场合应用的流量计，使得无传感器流量测量成为可能，并且设置安全参数能限制机械压力。

4 应用举例

这里介绍两个应用：多泵应用和水位控制应用。

4.1 多泵应用

该应用适用于泵站，这种配置支持变频器冗余。

变频器相互间的通讯通过NDBU-95 的DDCS 实现的，如图11所示。也可不使用NDBU-95选件，而是直接通过光纤的环形链路连接起来，由外部PLC 控制起/停与给定。控制方式请参考2.1的描述。

4.2 水位控制应用

该应用适用于控制1~8 台水泵充盈或排空水池的应用，如图12所示。溢出开关与水位传感器分别连接到DI/AI 口，任何一台变频器都可以设置为主机，主/从机的起动/ 停止水位都可以预设。控制方式请参考2.2的描述。

5 结语

综上所述，IPC 技术给泵的系统控制带来了更高的能量效率以及实用性。

在45 Hz的效率速度下，同50 Hz的额定速度运行比较，能节省大约19% 的能量，而水泵的生命周期成本大约节省16%, 这些数字都超过了投资成本和维护成本。

实用性的好处包括两个方面。一方面是保证系统100%的冗余特性。另一方面IPC软件有反堵塞功能以及泵优先级控制，以确保水泵的免故障运行。

因此，在当前大力倡导节能减排的政策引导下，ABB变频器的IPC技术在并行泵上的应用，尤其在大功率并行泵上的应用，值得广泛地推广。